王 磊，廖慶喜，廖宜濤，高麗萍，肖文立，陳 慧

氣送式排肥系統(tǒng)分配裝置結(jié)構(gòu)型式對排肥性能的影響

王 磊，廖慶喜※，廖宜濤，高麗萍，肖文立，陳 慧

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

針對油麥兼用型氣送式播種機(jī)寬幅、高速播種同步施肥時，氣送式排肥系統(tǒng)采用不同結(jié)構(gòu)型式分配裝置排肥過程中各行排肥量一致性和破損率具有明顯差異的生產(chǎn)實(shí)際，該研究以平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置為研究對象，確定了分配裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于Hertz理論構(gòu)建了顆粒肥料與分配裝置主體間的彈性碰撞模型。應(yīng)用DEM-CFD氣固耦合分析了4種型式分配裝置對肥料顆粒運(yùn)動特性及排肥性能的影響，結(jié)果表明：每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)肥料顆粒的各時刻最大速度、最大碰撞法向力、各行排肥量一致性變異系數(shù)均逐漸增加，穹頂式分配裝置內(nèi)肥料顆粒最大碰撞法向力大于30 N的比例最小，為1.56%。利用智能種植機(jī)械測試平臺開展氣送式排肥器排肥性能驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：臺架試驗(yàn)中不同型式分配裝置內(nèi)肥料顆粒破損率變化規(guī)律與仿真試驗(yàn)中肥料顆粒最大速度、最大碰撞法向力變化規(guī)律一致；穹頂式分配裝置內(nèi)肥料顆粒各行排肥量一致性變異系數(shù)為6.35%～7.52%、破損率為2.97%～3.26%，其排肥性能總體優(yōu)于平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置，滿足排肥性能要求，為分配裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；顆粒肥料；仿真；氣送式排肥器；分配裝置；穹頂式

0 引 言

施肥是油菜和小麥種植中的重要環(huán)節(jié)[1-2]，播種作業(yè)中同步施肥[3-4]，可為油菜和小麥生長提供必要的營養(yǎng)[5]。氣送式排肥器通過側(cè)位施肥[6-7]可滿足長江中下游和新疆地區(qū)油麥兼用型氣送式播種機(jī)寬幅（4.8 m）、高速（6～12 km/h）播種作業(yè)時對穩(wěn)定排肥量的要求[8-9]，并提高風(fēng)機(jī)和氣送系統(tǒng)的利用效率[10]。播種機(jī)高速作業(yè)時，氣送式排肥系統(tǒng)采用不同結(jié)構(gòu)型式分配裝置排肥過程中因輸送氣流流場和肥料顆粒遷移軌跡差異影響各導(dǎo)肥口肥料顆粒分布特性，且輸送過程中肥料顆粒與分配裝置碰撞，易使肥料顆粒破損，破損的肥料顆粒在長距離輸送中容易粘附于排肥管壁面，引起排肥管阻塞，降低各行排肥量一致性和穩(wěn)定性。

為提高施肥的均勻性，頓國強(qiáng)等[11]設(shè)計了一種雙齒輪式排肥器，應(yīng)用EDEM仿真分析確定了排肥器較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合；雷小龍等[12]為滿足氣送式集中排肥器定量變量排肥需求，設(shè)計了一種顆?；仕铰菪M合式集中供肥裝置；劉曉東等[13]為實(shí)現(xiàn)油菜精準(zhǔn)施肥，設(shè)計了一種螺旋擾動錐體離心式排肥器，確定了排肥器較優(yōu)的工作轉(zhuǎn)速；為實(shí)現(xiàn)袋裝緩控釋肥機(jī)械化施放，謝方平等[14]設(shè)計了一種有序排肥裝置并確定了較優(yōu)的參數(shù)組合；Van等[15]為探究肥料的恢復(fù)系數(shù)、摩擦因數(shù)、球形度對顆粒肥料拋撒軌跡的影響，應(yīng)用離散元仿真分析旋轉(zhuǎn)盤式排肥器內(nèi)肥料顆粒的拋撒軌跡；Landry等[16]為探究有機(jī)肥料在旋轉(zhuǎn)盤式排肥器中的流動特性，應(yīng)用EDEM模擬肥料的堆積，采用CFD模擬肥料的流動特性；Sugirbay等[17]對比分析了槽輪半徑、凹槽數(shù)目、有效工作長度及凹槽截面形狀對外槽輪排肥器排肥性能的影響。綜上，目前針對外槽輪式、轉(zhuǎn)盤式、離心式、螺旋式和振動式等排肥器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能提升已開展深入研究[18-20]，而氣送式排肥器分配裝置結(jié)構(gòu)型式對排肥性能的影響，高速、寬幅作業(yè)時分配裝置對較大施肥量的適應(yīng)性，以及通過肥料顆粒與分配裝置彈性碰撞時的受力和速度表征顆粒肥料破損率的研究較少，制約了氣送式排肥器的發(fā)展與應(yīng)用。

針對油麥兼用型氣送式播種機(jī)寬幅、高速播種同步施肥時，氣送式排肥系統(tǒng)采用不同結(jié)構(gòu)型式分配裝置排肥過程中各行排肥量一致性和破損率具有明顯差異的生產(chǎn)實(shí)際，以平頂式、穹頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置為研究對象，應(yīng)用DEM-CFD氣固耦合分析了4種型式分配裝置對肥料顆粒運(yùn)動特性及排肥性能的影響。利用智能種植機(jī)械測試平臺開展氣送式排肥器排肥性能及不同型式分配裝置對較大變化范圍排肥量適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為氣送式排肥器結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣送式排肥系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、肥箱、供肥裝置、輸肥管、分配裝置、排肥口、排肥管、施肥開溝器等組成。其中分配裝置主要由導(dǎo)流隔板、下蓋板、上蓋板、導(dǎo)肥口、送肥管等組成。氣送式排肥系統(tǒng)及分配裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.風(fēng)機(jī) 2.肥箱 3.供肥裝置 4.輸肥裝置 5.輸肥管 6.分配裝置 7.排肥口 8.排肥管 9.施肥開溝器 10.導(dǎo)流隔板 11.下蓋板 12.上蓋板 13.導(dǎo)肥口 14.送肥管

1.Fan 2.Fertilizer box 3.Fertilizer feeding device 4.Conveying fertilizer device 5.Conveying fertilizer tube 6.Distributor device 7.Fertilizing outlet 8.Fertilizing tube 9.Fertilizer opener 10.Deflector 11.Lower covering plate 12.Upper covering plate 13.Diversion fertilizer outlet 14.Delivering fertilizer tube

圖1 氣送式排肥系統(tǒng)及分配裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structural diagrams of air-assisted fertilizer system and distributor device

1.2 工作過程及原理

氣送式排肥系統(tǒng)工作時，肥料顆粒由肥箱進(jìn)入供肥裝置，肥料顆粒經(jīng)供肥裝置連續(xù)供給輸肥裝置；風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的輸送氣流在輸肥裝置與肥料顆粒充分混合；輸送氣流裹挾肥料顆粒經(jīng)輸肥管進(jìn)入分配裝置隨機(jī)分配成行，流經(jīng)排肥口由排肥管排出，通過施肥開溝器進(jìn)入土壤中。

輸送氣流和肥料顆粒兩相流在分配裝置的送肥管中加速運(yùn)動至上蓋板與下蓋板形成的區(qū)域；兩相流由鉛垂方向的運(yùn)動變?yōu)閷?dǎo)肥口內(nèi)水平方向運(yùn)動過程中，肥料顆粒在上蓋板與下蓋板形成的區(qū)域內(nèi)接觸上蓋板后速度在輸送氣流約束下趨于導(dǎo)肥口出口方向，顆粒肥料在輸送氣流阻力作用下經(jīng)導(dǎo)流隔板，由各導(dǎo)肥口排出，完成肥料顆粒分配過程。

2 分配裝置參數(shù)分析

2.1 送肥管設(shè)計與分析

送肥管可提高肥料顆粒與輸送氣流混合均勻性，油麥兼用型氣送式播種機(jī)施肥量影響送肥管內(nèi)肥料顆粒濃度，送肥管內(nèi)肥料顆粒相對濃度計算式[21]為

式中m為送肥管內(nèi)肥料顆粒相對濃度；為送肥管內(nèi)輸肥量，kg/s；為送肥管內(nèi)徑，m；為輸送氣流密度，1.29 kg/m3；為送肥管內(nèi)輸送氣流速度，m/s。

由式（1）可得送肥管內(nèi)徑為

根據(jù)長江中下游和新疆地區(qū)多年田間播種試驗(yàn)可知，播種機(jī)作業(yè)速度為6～12 km/h，作業(yè)幅寬為4.8 m，施肥量為225～600 kg/hm2，計算可得送肥管內(nèi)輸肥量為0.18～0.96 kg/s；為滿足顆粒肥料低壓輸送要求并避免肥料顆粒堵塞分配裝置，顆粒肥料濃度應(yīng)小于6.5[22]，輸送顆粒肥料的輸送氣流速度為22～26 m/s[23]，帶入式（2）計算得送肥管內(nèi)徑應(yīng)大于81.4 mm。綜合考慮氣送式排肥與排種系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)并減少風(fēng)機(jī)壓力損耗，確定送肥管內(nèi)徑為82 mm。

2.2 分配裝置主體設(shè)計與分析

分配裝置主體主要由上蓋板、下蓋板、導(dǎo)流隔板、導(dǎo)肥口組成，為對比分析氣送式排肥器不同型式分配裝置對排肥性能的影響，設(shè)計4種型式分配裝置主體，如圖2所示。

注：h為導(dǎo)肥口高度，mm；w為導(dǎo)肥口寬度，mm；l為導(dǎo)肥口長度，mm；d為上蓋板直徑，mm；w為導(dǎo)流隔板寬度，mm；l為導(dǎo)流隔板長度，mm；r為穹頂式分配裝置主體上蓋板所處球體半徑，mm；h為倒錐體高度，mm；為倒錐體角，（°）。

Note:his the height of diversion fertilizer outlet, mm;wis the width of diversion fertilizer outlet, mm;lis the length of diversion fertilizer outlet, mm;dis the diameter of upper covering plate, mm;wis the width of deflector, mm;lis the length of deflector, mm;ris the sphere radius of the upper covering plate of the dome type distributor device, mm;his the height of inverted cone, mm;is the cone angle of inverted cone, (°).

圖2 分配裝置主體縱剖面示意圖

Fig.2 Longitudinal section diagrams of distributor device main part

根據(jù)油麥兼用型氣送式播種機(jī)排種與施肥行數(shù)匹配關(guān)系，顆粒肥料采用隔行側(cè)施，單次播種24行，施肥12行。為重點(diǎn)比較分析4種型式分配裝置主體的上蓋板、下蓋板形狀對肥料顆粒各行排量一致性和破損率影響，確定4種型式分配裝置的導(dǎo)肥口、導(dǎo)流隔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本一致?；趯?shí)際肥料顆粒在分配裝置主體內(nèi)的遷移軌跡，肥料顆粒主要由導(dǎo)肥口截面上半側(cè)排出，導(dǎo)肥口截面上半側(cè)為顆粒肥料實(shí)際濃度測算區(qū)域，則導(dǎo)肥口內(nèi)肥料顆粒相對濃度為

式中m為導(dǎo)肥口內(nèi)肥料顆粒相對濃度；v為導(dǎo)肥口內(nèi)輸送氣流速度，m/s。

為提高兩相流分布的均勻性，導(dǎo)肥口截面的寬度與高度應(yīng)趨于一致，結(jié)合式（3）并滿足低壓輸送要求，計算導(dǎo)肥口截面的寬度和高度為23.17～53.5 mm；根據(jù)氣送式排肥器內(nèi)顆粒肥料輸送方式和分配裝置主體總體結(jié)構(gòu)布局，確定導(dǎo)肥口截面的寬度和高度均為30 mm，為實(shí)現(xiàn)兩相流的平穩(wěn)過渡，確定導(dǎo)肥口長度為30 mm。

為降低輸送氣流與肥料顆粒經(jīng)導(dǎo)流隔板由導(dǎo)肥口排出的阻力，并減少肥料顆粒與導(dǎo)肥口壁面的摩擦，確定導(dǎo)肥口寬度與兩導(dǎo)流隔板間距相同，則導(dǎo)肥口寬度、導(dǎo)流隔板寬度與上蓋板直徑的關(guān)系方程為

導(dǎo)流隔板可有效約束輸送氣流和肥料顆粒運(yùn)移方向，導(dǎo)流隔板越寬，肥料顆粒撞擊導(dǎo)流隔板概率越高，將增加肥料顆粒的無序性，降低各行排肥量一致性和破損率。綜合考慮分配裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定導(dǎo)流隔板寬度大于3 mm，帶入式（4）可得上蓋板直徑應(yīng)大于127.5 mm，為方便分配裝置的實(shí)際加工，確定上蓋板直徑為130 mm。根據(jù)導(dǎo)流隔板長度與上蓋板直徑、送肥管內(nèi)徑間的關(guān)系，確定導(dǎo)流隔板長度為14 mm。

基于穹頂式分配裝置主體對輸送氣流場和肥料顆粒遷移軌跡的約束特性，確定穹頂式分配裝置主體上蓋板軌跡方程為

式中x、y、z為軌跡方程在、、軸上的坐標(biāo)，mm。

根據(jù)輸送氣流的遷移軌跡，輸送氣流和肥料顆粒主要由導(dǎo)流隔板和導(dǎo)肥口上半側(cè)排出，但少量肥料顆粒會沿下蓋板排出。由于導(dǎo)流隔板和下蓋板間區(qū)域輸送氣流速度較低，肥料顆粒需克服與下蓋板間的摩擦力以順利沿下蓋板進(jìn)入導(dǎo)肥口。肥料顆粒進(jìn)入導(dǎo)流隔板和下蓋板間區(qū)域瞬時受力如圖3所示。由圖3可得肥料顆?？裳叵律w板排出的受力條件為

式中為肥料顆粒與下蓋板間的動摩擦因數(shù)，取0.2。

由式（6）可得下蓋板所處球體半徑應(yīng)不大于260.05 mm，且根據(jù)下蓋板所處球體半徑與上蓋板直徑間的關(guān)系，下蓋板所處球體半徑應(yīng)大于65 mm。綜合考慮穹頂式分配裝置整體結(jié)構(gòu)，確定下蓋板所處球體半徑為170 mm；根據(jù)穹頂式分配裝置主體上蓋板所處球體半徑、導(dǎo)肥口高度與下蓋板間的尺寸關(guān)系，可確定上蓋板所處球體半徑為200 mm。

注：O為下蓋板所處球體圓心；為肥料顆粒重力，N；F為下蓋板對肥料顆粒的支持力，N；f為肥料顆粒與下蓋板間的摩擦力，N；r為下蓋板所處球體半徑，mm；為下蓋板所處球體的法向與豎直方向間夾角，（°）。

Note:Ois the sphere center of the lower covering plate;is the gravity of fertilizer particle, N;Fis the supporting force of lower covering plate on fertilizer particle, N;fis the friction between fertilizer particle and lower covering plate, N; ris the sphere radius of lower covering plate, mm;is the angle between the normal direction of lower covering plate sphere and the vertical direction, (°).

圖3 肥料顆粒與下蓋板接觸受力示意圖

Fig.3 Force diagram of fertilizer particle (FP) in contact with lower covering plate

平頂?shù)瑰F式和穹頂?shù)瑰F式分配裝置主體是在平頂式和穹頂式的上蓋板安裝倒錐體結(jié)構(gòu)，可減少上蓋板區(qū)域形成的高壓區(qū)，降低上蓋板區(qū)域肥料顆粒的聚集。通過減小下蓋板、上蓋板、倒錐體組成區(qū)域截面與導(dǎo)肥口截面差值，可降低安裝倒錐體結(jié)構(gòu)的分配裝置主體內(nèi)因輸送氣流通過區(qū)域截面突變對肥料顆粒輸送穩(wěn)定性的影響，則可得倒錐體角、倒錐體高度與上蓋板直徑、導(dǎo)肥口高度、導(dǎo)流板長度、送肥管內(nèi)徑間的關(guān)系為

由式（7）可得倒錐體角為80°、倒錐體高度為50 mm時，可滿足倒錐體對兩相流的運(yùn)動約束。

2.3 肥料顆粒與分配裝置彈性碰撞分析

分配裝置內(nèi)顆粒肥料輸送過程中，肥料顆粒會與分配裝置彈性碰撞產(chǎn)生接觸彈性變形。因肥料顆粒球形度大于90%，可看作均勻、各向同性的球體；肥料顆粒形變量遠(yuǎn)小于其直徑，碰撞區(qū)域的應(yīng)力分布符合Hertz理論[24-25]。以肥料顆粒與穹頂式分配裝置上蓋板碰撞為例，肥料顆粒與上蓋板碰撞如圖4所示。

基于Hertz理論，球形肥料顆粒與穹頂式分配裝置碰撞時，可作為圓球與凹球面碰撞分析，碰撞區(qū)距離應(yīng)為

式中μ為肥料顆粒泊松比；μ為上蓋板泊松比；E為肥料顆粒彈性模量，Pa；E為上蓋板彈性模量，Pa。

1.上蓋板 2.肥料顆粒

1.Upper covering plate 2.FP

注：為坐標(biāo)原點(diǎn)；、為坐標(biāo)軸；為碰撞區(qū)距離，m；r為肥料顆粒半徑，m；為碰撞區(qū)域形變量，m；P為肥料顆粒和上蓋板間的壓力，N。

Note:is the coordinate origin;andare the coordinates axis;is the distance of collision zone, m;ris the radius of fertilizer particle, m;is the shape variable of collision zone, m;Pis the pressure between fertilizer particle and upper covering plate, N.

圖4 肥料顆粒與上蓋板碰撞示意圖

Fig.4 Schematic diagram of collision between fertilizer particle and upper covering plate

碰撞區(qū)域形變量為

式中為修正系數(shù)。

碰撞面上的最大碰撞應(yīng)力（Pa）為

肥料顆粒與上蓋板碰撞過程中，由于彈性變形，肥料顆粒與上蓋板的中心接近了一個位移δ，肥料顆粒加速度（m/s2）為

式中為碰撞時間，s；m為肥料顆粒質(zhì)量，kg。

將式（11）帶入式（9），對δ作積分，可得關(guān)系式

式中v為肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度，m/s。

當(dāng)變形量δ最大時，可得肥料顆粒的速度（m/s）為

根據(jù)式（12）、（13）可得最大壓縮量為

當(dāng)變形量δ最大時，碰撞面上的最大應(yīng)力（Pa）為

當(dāng)肥料顆粒為最大壓縮量，且碰撞面上的最大碰撞應(yīng)力P達(dá)到肥料顆粒在單向壓縮下的強(qiáng)度極限（Pa）時，肥料顆粒形成應(yīng)力裂紋或破損。

則球形肥料顆粒與分配裝置最大碰撞時的碰撞應(yīng)力（Pa）為

聯(lián)立式（14）、（16）可得

由式（17）可知，肥料顆粒與分配裝置碰撞破損時的肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度v與肥料顆粒的強(qiáng)度極限、肥料顆粒半徑r、肥料顆粒質(zhì)量m、肥料顆粒彈性模量E、上蓋板彈性模量E、上蓋板曲率半徑r等有關(guān)。肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度v與肥料顆粒和上蓋板間的壓力P相關(guān)，則肥料顆粒和分配裝置材料一定時，肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度v、肥料顆粒和上蓋板間的壓力P影響顆粒肥料的破損。

肥料顆粒與分配裝置碰撞時，肥料顆粒與穹頂式分配裝置碰撞為球形顆粒與凹球面碰撞，肥料顆粒與穹頂?shù)瑰F式分配裝置碰撞為球形顆粒與凹球面、平面碰撞，肥料顆粒與平頂式、平頂?shù)瑰F式分配裝置碰撞為球形顆粒與平面碰撞，由式（16）～（17）可知，分配裝置上蓋板及倒錐體的曲率半徑越大，肥料顆粒與分配裝置碰撞破損時的肥料顆粒和上蓋板相互靠近的速度v越小，肥料顆粒越容易破損。其他參數(shù)不變，肥料顆粒與穹頂式分配裝置碰撞破損時，顆粒肥料和穹頂式分配裝置上蓋板相互靠近的速度v大于肥料顆粒與穹頂?shù)瑰F式、平頂式、平頂?shù)瑰F式分配裝置碰撞時的v。

3 分配裝置型式對排肥性能的影響

為探究不同型式分配裝置和肥料顆粒濃度對排肥性能的影響，應(yīng)用DEM-CFD氣固耦合仿真分析4種型式分配裝置對排肥性能、肥料顆粒速度、肥料顆粒與分配裝置間接觸力、分配裝置內(nèi)輸送氣流壓力和速度分布的影響。

3.1 仿真模型

利用ANSYS Fluent 17.0和EDEM 2018軟件開展DEM-CFD氣固耦合仿真，利用ICEM中的四面體單元自動劃分配裝置網(wǎng)格。送肥管入口設(shè)置為輸送氣流和肥料顆粒入口，導(dǎo)肥口設(shè)置為輸送氣流和肥料顆粒出口。肥料顆粒為類球形顆粒，其球形度在90%以上，仿真模型中以球體代替肥料顆粒[26]，肥料顆粒模型設(shè)置為平均直徑3.5 mm，模型直徑正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為0.05 mm。仿真參數(shù)[27-28]如表1所示。

3.2 仿真試驗(yàn)方法

基于顆粒肥料的懸浮速度和所需輸送氣流速度范圍，設(shè)置顆粒肥料入口輸送氣流速度為25 m/s；根據(jù)肥料顆粒在氣送式排肥器內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律，肥料顆粒經(jīng)輸肥裝置由輸肥管彎管接頭實(shí)現(xiàn)水平輸送轉(zhuǎn)變?yōu)殂U垂輸送，鉛垂輸送過程中，設(shè)置顆粒肥料入口的肥料顆粒速度為6 m/s[29]。

表1 仿真與接觸參數(shù)

分配裝置內(nèi)肥料顆粒濃度應(yīng)匹配油麥兼用型氣送式播種機(jī)實(shí)際作業(yè)效率要求，仿真試驗(yàn)的肥料顆粒千粒質(zhì)量為33.14 g，通過計算設(shè)置送肥管入口每秒生成肥料顆粒分別為10 000、20 000、30 000。送肥管入口生成肥料顆粒時間為4 s，總仿真時長為6 s，開展3種肥料顆粒濃度與4種型式分配裝置組合對肥料顆粒運(yùn)動特性和排肥性能影響試驗(yàn)。EDEM中導(dǎo)出穩(wěn)定排肥的1～4 s內(nèi)各時刻肥料顆粒的平均速度、最大速度、肥料顆粒與分配裝置碰撞時的平均碰撞法向力、最大碰撞法向力，平均碰撞力、最大碰撞力的平均值以表征肥料顆粒的運(yùn)動特性；分析1～6 s各時刻肥料顆粒的最大速度、肥料顆粒與分配裝置碰撞時的最大碰撞法向力以表征不同型式分配裝置內(nèi)肥料顆粒破損率。統(tǒng)計各導(dǎo)肥口排肥質(zhì)量以表征分配裝置型式對各行排肥量一致性的影響；分別統(tǒng)計仿真1～1.99、2～2.99、3～3.99 s的排肥質(zhì)量，計算各時段排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)。

3.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 分配裝置型式對肥料顆粒運(yùn)動特性的影響

分配裝置主體內(nèi)肥料顆粒速度、肥料顆粒與分配裝置主體間作用力如表2所示。

由表2可知，隨每秒生成肥料顆粒量的增加，分配裝置內(nèi)肥料顆粒的平均速度變化較小，最大速度變化較大，表明分配裝置主體內(nèi)肥料顆粒濃度變化對肥料顆?？傮w輸送速度影響較小，對單顆肥料顆粒輸送速度影響較大，是基于肥料顆?？傮w輸送速度主要由輸送氣流速度和分配裝置型式影響，而單顆肥料顆粒最大輸送速度主要由分配裝置型式、肥料顆粒間作用力影響。每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、穹頂?shù)瑰F式、平頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)肥料顆粒平均速度逐漸增加。

表2 分配裝置主體型式對肥料顆粒運(yùn)動特性的影響

隨每秒生成肥料顆粒量的增加，分配裝置內(nèi)肥料顆粒的平均受力變化較小，最大受力變化較大。每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)肥料顆粒的平均碰撞法向力、最大碰撞法向力、平均碰撞力、最大碰撞力均逐漸增大。根據(jù)分配裝置主體與肥料顆粒間的碰撞法向力與碰撞力的關(guān)系可知，肥料顆粒與不同型式分配裝置碰撞時的平均碰撞法向力、平均碰撞力范圍分別為0.10～0.72、0.11～0.75 N，最大碰撞法向力、最大碰撞力范圍分別為11.18～42.80、11.83～44.46 N，表明肥料顆粒與分配裝置主體間的作用力主要為碰撞法向力，碰撞切向力較小。

3.3.2 分配裝置型式對肥料顆粒受力的影響

以每秒生成20 000粒肥料顆粒為例，不同型式分配裝置主體內(nèi)各時刻肥料顆粒最大碰撞法向力試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可知，穹頂式、平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)肥料顆粒最大碰撞法向力分別為43.08、62.50、70.66、116.15 N；參考顆粒肥料破損受力范圍[30]，所受最大碰撞法向力大于30 N的比例分別為1.56%、3.33%、6.67%、38.89%?；诜柿项w粒所受最大碰撞法向力影響肥料顆粒輸送過程的破損率，根據(jù)Hertz理論，采用穹頂式分配裝置排肥時的破損率低于平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置排肥時的破損率。

注：每秒生成肥料顆粒為20 000粒。圖6～圖9同。

Note: 20 000 fertilizer particles are generated per second. Same as in the figures 6 to 9.

圖5 分配裝置主體內(nèi)肥料顆粒最大碰撞法向力

Fig.5 Maximum collision normal force of fertilizer particles in distributor device main part

3.3.3 分配裝置型式對肥料顆粒速度影響分析

圖6為每秒生成20 000粒肥料顆粒時不同型式分配裝置主體內(nèi)各時刻肥料顆粒最大速度試驗(yàn)結(jié)果。由圖6可知，穹頂式、平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)肥料顆粒最大速度分別為26.32、29.14、33.66、36.10 m/s，最大速度大于25 m/s的比例分別為0.44%、7.78%、9.33%、22.16%，穹頂式分配裝置的最大速度及最大速度大于25 m/s的比例最小，表明穹頂式分配裝置內(nèi)肥料顆粒群速度的變化范圍較小，利于肥料顆粒的穩(wěn)定輸送；穹頂?shù)瑰F式分配裝置的最大速度及最大速度大于25 m/s的比例最大，表明穹頂?shù)瑰F式分配裝置肥料顆粒群速度的變化范圍較大，易造成肥料顆粒的破損。根據(jù)Hertz理論中肥料顆粒與凹面及平面碰撞破損速度分析，采用穹頂式分配裝置排肥時的破損率低于平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置排肥時的破損率。

3.3.4 分配裝置型式對輸送氣流速度和壓力分布的影響

圖7和圖8分別為每秒生成20 000粒肥料顆粒時不同型式分配裝置內(nèi)輸送氣流速度和壓力分布試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，平頂式、穹頂式分配裝置上蓋板形成較大區(qū)域高壓區(qū)，降低輸送氣流和肥料顆粒速度，減少肥料顆粒與分配裝置主體碰撞時肥料顆粒的受力和速度，降低肥料顆粒破損；肥料顆粒接觸高壓區(qū)后再次進(jìn)入分配裝置主體，實(shí)現(xiàn)與送肥管內(nèi)肥料顆粒的兩次混合，提高各行排肥量一致性。平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置倒錐體的安裝減小了分配裝置主體流域截面積，輸送氣流將以較高速度裹挾肥料顆粒碰撞上蓋板和倒錐體，增大肥料顆粒與分配裝置主體碰撞時肥料顆粒的受力和速度，肥料顆粒碰撞上蓋板和倒錐體后肥料顆粒無序性增加，各行排肥量一致性變差，破損率增大。

根據(jù)表2，并結(jié)合圖5～圖8可知，每秒生成肥料顆粒量相同時，表2中不同型式分配裝置主體內(nèi)肥料顆粒最大速度的變化規(guī)律與圖7中不同型式分配裝置主體內(nèi)輸送氣流速度變化規(guī)律一致，是由于肥料顆粒的最大速度主要受分配裝置內(nèi)輸送氣流速度影響。圖7、圖8中由于穹頂?shù)瑰F式分配裝置主體內(nèi)流域截面突變較大造成輸送氣流速度和壓力變化梯度最大，導(dǎo)致肥料顆粒在穹頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)最大速度、最大碰撞法向力、所受最大碰撞法向力大于30 N的比例、最大速度大于25 m/s的比例均高于在穹頂式、平頂式、平頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)。

根據(jù)圖7、圖8中分配裝置內(nèi)輸送氣流速度和壓力的分布規(guī)律，肥料顆粒主要由導(dǎo)肥口截面上半側(cè)排出，導(dǎo)肥口內(nèi)的肥料顆粒由于輸送過程中相互碰撞，少量肥料顆粒會進(jìn)入導(dǎo)肥口下半側(cè)區(qū)域，由于導(dǎo)肥口下半側(cè)區(qū)域輸送氣流速度較小，肥料顆粒會滯留于導(dǎo)肥口內(nèi)難以排出。穹頂式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置的導(dǎo)肥口為弧形結(jié)構(gòu)，滯留于導(dǎo)肥口下半側(cè)區(qū)域肥料顆粒可在自身重力作用下排出；平頂式、平頂?shù)瑰F式分配裝置導(dǎo)肥口下半側(cè)區(qū)域的肥料顆粒難以在自身重力下排出，導(dǎo)肥口內(nèi)存在肥料顆粒滯留現(xiàn)象。

3.3.5 分配裝置型式對排肥性能的影響

表3和圖9分別為每秒生成20 000粒肥料顆粒時不同型式分配裝置的排肥性能和肥料顆粒分布試驗(yàn)結(jié)果。由于穹頂式分配裝置上蓋板和下蓋板均為圓弧形曲面，形成的高壓區(qū)域大于平頂式分配裝置，易于肥料顆粒兩次均勻混合，且穹頂式分配裝置內(nèi)肥料顆粒群速度的變化范圍較小，故每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式分配裝置的各行排肥量一致性變異系數(shù)低于平頂式分配裝置。根據(jù)Hertz理論，結(jié)合前文可知，每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置的各行排肥量一致性變異系數(shù)逐漸增加，各時段排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)均低于3%。綜合肥料顆粒的最大碰撞法向力及最大速度，以減少肥料顆粒破損且提高各行排肥量一致性為排肥性能評價指標(biāo)，確定穹頂式分配裝置排肥性能較優(yōu)。為驗(yàn)證以肥料顆粒的最大速度和最大碰撞法向力表征顆粒肥料破損率的合理性，需開展臺架試驗(yàn)進(jìn)一步確定不同型式分配裝置對破損率差異性的影響。

表3 分配裝置的排肥性能試驗(yàn)結(jié)果

4 分配裝置型式對排肥性能影響的驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的合理性，采用ABS材料3D打印4種分配裝置，將4種分配裝置安裝于油麥兼用型氣送式播種機(jī)，利用智能種植機(jī)械測試平臺開展8種肥料顆粒濃度和4種型式分配裝置對排肥性能影響組合試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖10所示。

1.油麥兼用型氣送式播種機(jī) 2.智能種植機(jī)械測試平臺 3.氣送式排肥器 4.分配裝置

1.Air-assisted planter for rapeseed and wheat 2.Intelligent test platform for planting machines 3.Air-assisted fertilizer apparatus 4.Distributor device

圖10 排肥性能測試平臺

Fig.10 Test platform for fertilizing performance

4.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用芭田復(fù)合肥，千粒質(zhì)量為33.14 g，含水率為2.15%。為滿足油麥兼用型氣送式播種機(jī)實(shí)際播種作業(yè)中對排肥量的要求，設(shè)置供肥裝置轉(zhuǎn)速為50～80 r/min，每間隔10 r/min為一個水平，供肥裝置傳動軸分別安裝3個和8個交錯排布型孔輪開展試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)5次，用尼龍網(wǎng)袋收集30 s內(nèi)4種分配裝置各排肥管內(nèi)的排肥質(zhì)量，計算各行排肥量一致性變異系數(shù)和總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)；采用孔徑為3 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩分離分配裝置排出的肥料顆粒，收集被篩分出的粒徑小于3 mm的肥料顆粒作為破損肥料，計算氣送式排肥器排出肥料顆粒的破損率，以對比分析相同排肥量時，不同型式分配裝置對顆粒肥料破損率的影響。每次試驗(yàn)結(jié)束，觀測排肥管內(nèi)壁是否有破損肥料粘附。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)束觀測穹頂式、平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置排肥管內(nèi)壁均有少量破損肥料粘附，粘附破損肥量逐漸增加。

表4為不同型式分配裝置和肥料顆粒濃度組合時的排肥性能。由表4可知，供肥裝置轉(zhuǎn)速為50～80 r/min時，穹頂式分配裝置各行排肥量一致性變異系數(shù)為6.35%～7.52%、總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.53%～1.92%，破損率為2.97%～3.26%，以各行排肥量一致性變異系數(shù)和破損率最低為評價指標(biāo)，穹頂式分配裝置的排肥性能優(yōu)于平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置。臺架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)不同型式分配裝置各行排肥量一致性變異系數(shù)和總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)變化規(guī)律總體一致，表明仿真試驗(yàn)中通過最大速度、最大碰撞法向力表征分配裝置內(nèi)肥料顆粒破損率合理可信；且仿真試驗(yàn)中分配裝置內(nèi)輸送氣流和肥料顆粒的分布特性是影響臺架試驗(yàn)中不同結(jié)構(gòu)分配裝置排肥性能差異的主要因素。

表4 排肥性能試驗(yàn)結(jié)果

注：ERFQ為各行排肥量。

Note: ERFQ is each row fertilizing quantity.

5 結(jié) 論

1）確定了平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于Hertz理論構(gòu)建了顆粒肥料與分配裝置主體間的彈性碰撞模型。確定送肥管內(nèi)徑為82 mm，導(dǎo)肥口長度、寬度、高度均為30 mm，上蓋板直徑為130 mm，錐體角為80°、倒錐體高度為50 mm時，分配裝置可實(shí)現(xiàn)排肥功能。

2）應(yīng)用DEM-CFD氣固耦合分析了4種型式分配裝置對肥料顆粒運(yùn)動特性及排肥性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：每秒生成肥料顆粒量相同時，穹頂式、平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)肥料顆粒的各時刻最大速度、最大碰撞法向力、各行排肥量一致性變異系數(shù)均逐漸增加，穹頂式分配裝置內(nèi)肥料顆粒最大碰撞法向力大于30 N的比例最小，為1.56%；穹頂式、平頂式、穹頂?shù)瑰F式、平頂?shù)瑰F式分配裝置內(nèi)肥料顆粒平均速度逐漸增加，穹頂式分配裝置內(nèi)肥料顆粒平均速度為1.07～1.30 m/s。

3）利用智能種植機(jī)械測試平臺開展氣送式排肥器排肥性能驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：臺架試驗(yàn)中不同型式分配裝置內(nèi)肥料顆粒破損率變化規(guī)律與仿真試驗(yàn)中肥料顆粒最大速度、最大碰撞法向力變化規(guī)律一致，表明通過肥料顆粒最大速度及與分配裝置間最大碰撞法向力表征顆粒肥料破損率合理可信；穹頂式分配裝置內(nèi)肥料顆粒各行排肥量一致性變異系數(shù)為6.35%～7.52%、總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.53%～1.92%、破損率為2.97%～3.26%，其排肥性能總體優(yōu)于平頂式、平頂?shù)瑰F式、穹頂?shù)瑰F式分配裝置。

[1] Islam M R, Garcia S C, Horadagoda A. Effects of residual nitrogen, nitrogen fertilizer, sowing date and harvest time on yield and nutritive value of forage rape[J]. Animal Feed Science and Technology, 2012, 177(1/2): 52-464.

[2] Liu Z, Sun K, Liu W T, et al. Responses of soil carbon, nitrogen, and wheat and maize productivity to 10 years of decreased nitrogen fertilizer under contrasting tillage systems[J]. Soil and Tillage Research Volume, 2020, 196: 1-11.

[3] 吳明亮，官春云，羅海峰，等. 2BYD-6 型油菜淺耕直播施肥聯(lián)合播種機(jī)設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(11)：136-140.

Wu Mingliang, Guan Chunyun, Luo Haifeng, et al. Design and experiments of 2BYD-6 shallow tilling and fertilizing seeder for rapes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(11): 136-140. (in Chinese with English abstract)

[4] 姜萌，劉彩玲，魏丹，等. 小麥寬苗帶精量播種施肥機(jī)設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50(11)：53-62.

Jiang Meng, Liu Cailing, Wei Dan, et al. Design and test of wide seedling strip wheat precision planter[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(11): 53-62. (in Chinese with English abstract)

[5] 高麗萍，陳慧，廖慶喜，等. 油菜深施肥播種機(jī)動態(tài)傾斜工況排肥性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(增刊)：64-72.

Gao Liping, Chen Hui, Liao Qingxi, et al. Experiment on fertilizing performance of dynamic tilt condition of seeder with deep fertilizer for rapeseed [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(Supp.): 64-72. (in Chinese with English abstract)

[6] 陳雄飛，羅錫文，王在滿，等. 水稻穴播同步側(cè)位深施肥技術(shù)試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(16)：1-7.

Chen Xiongfei, Luo Xiwen, Wang Zaiman, et al. Experiment of synchronous side deep fertilizing technique with rice hill-drop drilling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[7] 唐漢，王金武，徐常塑，等. 化肥減施增效關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50(4)：1-19.

Tang Han, Wang Jinwu, Xu Changsu, et al. Research progress analysis on key technology of chemical fertilizer reduction and efficiency increase[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(4): 1-19. (in Chinese with English abstract)

[8] 王磊，廖宜濤，張青松，等. 油麥兼用型精量寬幅免耕播種機(jī)仿形鑿式開溝器研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50(11)：63-73.

Wang Lei, Liao Yitao, Zhang Qingsong, et al. Design on profiling chisel opener of precision broad width no-tillage planter for rapeseed and wheat[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(11): 63-73. (in Chinese with English abstract)

[9] 廖宜濤，高麗萍，廖慶喜，等. 油菜精量聯(lián)合直播機(jī)深施肥裝置設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(2)：65-75.

Liao Yitao, Gao Liping, Liao Qingxi, et al. Design and test of side deep fertilizing device of combined precision rapeseed seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(2): 65-75. (in Chinese with English abstract)

[10] Yatskul, A, Lemiere J P, Cointault F. Comparative energy study of the air-stream loading systems of air-seeders[J]. Engineering in Agriculture, Environment and Food, 2018, 11(1)：30-37.

[11] 頓國強(qiáng)，于春玲，郭艷玲，等. 雙齒輪式排肥器設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(3)：87-96.

Dun Guoqiang, Yu Chunling, Guo Yanling, et al. Design and experiment of double-gear type fertilizer apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(3): 87-96. (in Chinese with English abstract)

[12] 雷小龍，李蒙良，張黎驊，等. 顆?；仕綒馑褪铰菪M合可調(diào)定量供肥裝置設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(19)：9-18.

Lei Xiaolong, Li Mengliang, Zhang Lihua, et al. Design and experiment of horizontal pneumatic screw combination adjustable quantitative fertilizer feeding device for granular fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 9-18. (in Chinese with English abstract)

[13] 劉曉東，丁幼春，舒彩霞，等. 螺旋擾動錐體離心式排肥器設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(2)：40-49.

Liu Xiaodong, Ding Youchun, Shu Caixia, et al. Design and experiment of spiral disturbance cone centrifugal fertilizer apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 40-49. (in Chinese with English abstract)

[14] 謝方平，劉敏章，楊米米，等. 袋裝緩控釋肥有序排肥裝置設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(16)：40-49.

Xie Fangping, Liu Minzhang, Yang Mimi, et al. Design of ordered fertilizer device for bagged slow-release fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 40-49. (in Chinese with English abstract)

[15] Van L P, Tijskens E, Ramon H, et a1. Discrete element simulations of the influence of fertiliser physical properties on the spread pattern from spinning disc spreaders[J]. Biosystems Engineering, 2009, 102(4): 392-405.

[16] Landry H, Thirion F, Lague C, et a1. Numerical modeling of the flow of organic fertilizers in land application equipment[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2006, 51(1/2): 35-53.

[17] Sugirbay A M, Zhao J, Nukeshev S O, et a1. Determination of pin-roller parameters and evaluation of the uniformity of granular fertilizer application metering devices in precision farming[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2020, 179(12): 1-11.

[18] 付宇超，袁文勝，張文毅，等. 我國施肥機(jī)械化技術(shù)現(xiàn)狀及問題分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(1)：251-255，263.

Fu Yuchao, Yuan Wensheng, Zhang Wenyi, et al. Present situation and problem analysis of the technology of fertilizer mechanization in China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 39(1): 251-255, 263. (in Chinese with English abstract)

[19] Coetzee C J, Lombard S G. Discrete element method modelling of a centrifugal fertiliser spreader[J]. Biosystems Engineering, 2011, 109(4): 308-325.

[20] 戴億政，羅錫文，張明華，等. 氣吹集排式水稻旱直播機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(10)：1-8.

Dai Yizheng, Luo Xiwen, Zhang Minghua, et al. Design and experiments of the key components for centralized pneumatic rice dry direct seeding machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[21] 楊慶璐，王慶杰，李洪文，等. 氣力集排式排肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(13)：1-10.

Yang Qinglu, Wang Qingjie, Li Hongwen, et al. Structural optimization and experiment of pneumatic centralized fertilizer system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 1-10. (in Chinese with English abstract)

[22] 楊倫. 氣力輸送工程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[23] 湯瓊. 氣力輸送裝置[M]. 廣州：暨南大學(xué)出版社，2002.

[24] 徐立章，李耀明，丁林峰. 水稻谷粒與脫粒元件碰撞過程的接觸力學(xué)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(6)：146-149.

Xu Lizhang, Li Yaoming, Ding Linfeng. Contacting mechanics analysis during impact process between rice and threshing component[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(6): 146-149. (in Chinese with English abstract)

[25] 王永東，燕新，彭浩，等. 基于Hertz理論和JKR理論的落石沖擊力學(xué)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2019，15(增刊)：598-603.

Wang Yongdong, Yan Xin, Peng Hao, et a1. Study on rock-fall impact mechanics based on Hertz theory and JKR theory[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2019, 15(Supp.): 598-603. (in Chinese with English abstract)

[26] Dintwa E, Van L P, Olieslagers R, et a1. Comparative energy study of the air-stream loading systems of air-seeders[J]. Biosystems Engineering, 2004, 87(4): 407-415.

[27] 王磊，席日晶，廖宜濤，等. 地表坡度對油菜寬幅精量免耕播種機(jī)排種性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(7)：11-21.

Wang Lei, Xi Rijing, Liao Yitao, et al. Effects of land slope on seeding performance of a broad width precision no-tillage planter for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(7): 11-21. (in Chinese with English abstract)

[28] 溫翔宇，袁洪方，王剛，等. 顆粒肥料離散元仿真摩擦因數(shù)標(biāo)定方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(2)：115-122，142.

Wen Xiangyu, Yuan Hongfang, Wang Gang, et al. Calibration method of friction coefficient of granular fertilizer by discrete element simulation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(2): 115-122, 142. (in Chinese with English abstract)

[29] Lei X L, Liao Y T, Zhang Q S, et a1. Numerical simulation of seed motion characteristics of distribution head for rapeseed and wheat[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2018, 150(6): 98-109.

[30] 呂昊. 外槽輪排肥器優(yōu)化設(shè)計新方法研究[D]. 長春: 吉林大學(xué)，2014.

Lv Hao. A New Kind of Method for the Optimizated Design of Outer Groove-wheel Fertilizer Apparatus[D]. Changchun: Jilin University, 2014. (in Chinese with English abstract)

Effects of distributor types on fertilizing performance in an air-assisted applicator

Wang Lei, Liao Qingxi※, Liao Yitao, Gao Liping, Xiao Wenli, Chen Hui

(1.,,430070,; 2.,,430070,)

Structural type of distributor normally dominates the uniform fertilizing quantity in each row and the damage rate in the fertilizing process under wide and high-speed sowing and synchronous fertilization of air-assisted planter for rapeseed and wheat. In this study, the main structural parameters of the distributor were determined according to the optimal fertilizing performance in an air-assisted applicator. The distributors with the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, the dome type, and the inverted cone installed on the dome type were taken as the research objects. The initial structural parameters were set: The inner diameter of delivering fertilizer tube was 82 mm. The length, width, and height of the diversion fertilizer outlet were all 30 mm. The diameter of the upper covering plate was 130 mm. The cone angle was 80° and the height of the inverted cone was 50 mm. An elastic collision model was established between the pelletized fertilizer and the main part of the distributor using Hertz theory. A Discrete Element Method (DEM) coupled with the Computational Fluid Dynamics (CFD) was selected to analyze the effects of 4-type distributors on the motion characteristics and fertilizing performance of fertilizer particles. The simulation results showed that the average values of maximum velocity and collision normal force, and the uniformity variation coefficient of each row fertilizing quantity of fertilizer particles in the distributor devices of the dome type, the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, and the inverted cone installed on the dome type all increased gradually. The maximum collision normal forces of fertilizer particles in the distributor of the dome type, the flat top type, the inverted cone installed on the flat top type, and the inverted cone installed on the dome type were 43.08, 62.50, 70.66, and 116.15 N, respectively, where the proportions of maximum collision normal force greater than 30 N (referring to the damage force range of pelletized fertilizer were 1.56%, 3.33%, 6.67%, and 38.89%, respectively). Furthermore, the maximum velocities of fertilizer particles in four-type distributors were 26.32, 29.14, 33.66, and 36.1 m/s, respectively, where the proportions of maximum velocity greater than 25 m/s were 0.44%, 7.78%, 9.33%, and 22.16%, respectively. The dome type distributor presented the minimum values in the maximum velocity, while the proportion of maximum velocity was greater than 25 m/s, indicating a small change in the velocity of fertilizer particles for the stable transportation of fertilizer particles.An intelligent test platform was used for planting machines to verify the fertilizing performance of an air-assisted fertilizer. The bench results indicated that there was highly consistent with the experimental and simulated changes in the maximum velocity and the maximum collision normal force of fertilizer particles in the distributor with different structural types. In a dome type distributor, the variation coefficient of uniformity in each row fertilizing quantity of particles was in the range of 6.35% to 7.52%, while the variation coefficient of stability in total fertilizing quantity was in the range of 1.53% to 1.92%, and the damage rate was in the range of 2.97% to 3.26%. Correspondingly, the dome type distributor achieved a better fertilizing performance than others. The findings can provide a sound reference to improve the structure of the distributor for precision fertilizing.

agricultural machinery; pelletized fertilizer; simulation; air-assisted fertilizer apparatus; distributor device; dome type

2021-02-05

2021-03-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（2020YFD1000904）

王磊，博士生，研究方向?yàn)橛筒瞬シN技術(shù)與裝備。Email：wangchong12356@126.com

廖慶喜，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛筒藱C(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備。Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004

S223.2+2

A

1002-6819(2021)-07-0024-11

王磊，廖慶喜，廖宜濤，等. 氣送式排肥系統(tǒng)分配裝置結(jié)構(gòu)型式對排肥性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(7)：24-34. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004 http://www.tcsae.org

Wang Lei, Liao Qingxi, Liao Yitao, et al. Effects of distributor types on fertilizing performance in an air-assisted applicator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 24-34. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.004 http://www.tcsae.org